物理学では、フォノンとは何ですか？

フォノンは、振動内にあるエネルギーの量です。 これらは、水晶など、活発に振動しているすべてのオブジェクトに存在します。 フォノンを考慮する1つの方法は、波の中の共鳴粒子としてです。 「光子」が光波内の量子粒子であるように、フォノンは音波内の粒子です。 「フォノン」という用語は、「音」または「音声」を意味するギリシャ語の「電話」に由来しています。

ロシアの物理学者イゴール・タムは、フォノンの概念を最初に理論化したとされています。 この概念は1932年に導入されて以来、これらの量は量子力学として知られる物理学の分野に統合されてきました。 それらは、物理学の新しい研究の一部です。 フォノンはしばしば「準粒子」または「集団励起」に分類されます。これは一般に、現象として観測できるが、個々の物理オブジェクトとして具体的に抽出されないことを意味します。

フォノンは独立した粒子として振る舞うのではなく、オブジェクト内の他のフォノンと相互作用します。 この相互作用により、フォノンのグループが鎖または格子構造を形成します。 1つのフォノンは、エネルギーをチェーン内の次のフォノンに転送できます。 これらの長い格子またはグループは、電気または熱の形で連続エネルギーを伝達できます。

フォノンの挙動を理解することは、非常に効率的な導電性または絶縁性材料を作成するための鍵として、多くの熱力学の専門家に見られています。 高い伝導性はコンピューターサイエンスと電力貯蔵の分野で重要ですが、極端な絶縁は保護材料に役立ちます。 一部の科学者は、フォノンの動作と相互作用の方法を研究した結果、有用な材料が構築されると信じているため、研究は継続しています。

マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者は、2010年にそのような材料を1つ作成しました。MITの専門家は、フォノンを反映するように設計されたパターンで異なる結晶材料の複数の層を組み合わせました。 実験中、結晶材料はフォノンの動きを正常に停止させ、フォノンを反対方向に反射または「バウンス」させました。

フォノンの研究は、将来の実用的な開発の発展につながる可能性があります。 フォノンを操作することによって可能になる発明のいくつかの例には、宇宙船用の保護熱遮蔽、寒冷環境用の優れた断熱、および携帯機器用のエネルギー収集器が含まれます。 操作の成功は、20世紀後半のトランジスタなどの固体電子機器の急速な成長に類似した科学的ブレークスルーにつながる可能性があります。